Il laboratorio ENEA sugli elettrodomestici del freddo e forni elettrici

Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie,
l’Energia e lo Sviluppo Economico Sostenibile
RICERCA DI SISTEMA ELETTRICO
Il laboratorio ENEA sugli elettrodomestici del freddo e forni elettrici:
caratteristiche e potenzialità di prova
M.G. Villani, G. Leonardi, V. Longoni, V. Tarantini GP. Bottani,
D. Scarano, R. Pollidori
Report RdS/2010/x 254
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TITOLO: IL LABORATORIO ENEA SUGLI ELETTRODOMESTICI DEL FREDDO E FORNI
ELETTRICI: CARATTERISTICHE E POTENZIALITÀ DI PROVA
M.G. Villani, G. Leonardi, V. Longoni, V. Tarantini, GP. Bottani, D. Scarano, R. Pollidori (ENEA
UTTEI-SISP)
Settembre 2010
Report Ricerca di Sistema Elettrico
Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico – ENEA
Area: Usi finali
Tema di ricerca: Sviluppo di strumenti di programmazione e pianificazione per la promozione
di tecnologie efficienti per la razionalizzazione dei consumi elettrici a scala territoriale e urbana.
Responsabile Tema: Ilaria Bertini, ENEA
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Sommario
1
INTRODUZIONE ............................................................................................................ 4
LABORATORIO DI PROVA ............................................................................................... 5
CAPACITÀ DI PROVA ...................................................................................................... 9
STRUMENTAZIONE ........................................................................................................ 9
LABORATORIO TARATURE ............................................................................................ 15
INCERTEZZE DI MISURA .............................................................................................. 17
SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI .................................................................................. 19
NORME E PROCEDURE ................................................................................................. 21
STIME DEGLI IMPEGNI IN TERMINI DI ORE/UOMO E DI COSTI ......................................... 23
3
INTRODUZIONE
Nell’ambito dell’Accordo di Programma MiSE – ENEA, la IIa annualità del Piano Annuale di
Realizzazione prevede l'ampliamento della gamma di prodotti che potranno essere testati
presso il laboratorio ENEA di Ispra e il supporto per la creazione di altri laboratori di prova
all’interno e all’esterno dei laboratori ENEA. Il primo tema verrà trattato in dettaglio in questa
sezione.
Alla luce delle nuove esigenze di accuratezza delle misure richieste dai Regolamenti Comunitari
su Ecodesign ed Etichettatura Energetica, i Laboratori ENEA Ispra hanno iniziato una revisione
dei protocolli e delle procedure seguite durante le prove sulla verifica dell’efficienza energetica
di apparecchi domestici. Il laboratorio, allestito in un primo tempo per eseguire test su
apparecchi del freddo per uso domestico, è stato potenziato con la sostituzione e l’acquisizione
di nuovi strumenti. In particolare, il laboratorio è stato adattato per effettuare prove su forni
elettrici ed è stato anche predisposto per testare le prestazioni energetiche di piccoli
elettrodomestici.
Lo scopo dell'attività consiste principalmente nel controllare la conformità di apparecchi
domestici del freddo e forni ai requisiti di Regolamenti e Direttive Europee su Ecodesign ed
Etichettatura Energetica. Si mira, inoltre, a dimostrare che la sorveglianza del mercato e i test
di conformità possono essere realizzati in modo sistematico ed efficace senza eccessivi costi.
Questo costituisce parte integrante del processo di trasformazione verso un mercato più ecosostenibile, a supporto dei consumatori, dei produttori e dell’ambiente.
Qui di seguito verranno descritte le caratteristiche specifiche del laboratorio, indicando in
particolare la capacità di prova, la strumentazione e i costi indicativi delle prove stesse.
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LABORATORIO DI PROVA
I Laboratori ENEA Ispra hanno predisposto un laboratorio di prova per poter effettuare misure
di prestazioni energetiche su elettrodomestici del freddo e su forni (i.e. si veda Fig. 1) e,
successivamente, anche su piccoli elettrodomestici (i.e. macchine da caffè). Le prove condotte
hanno lo scopo di determinare: i) il consumo energetico degli apparecchi domestici in base alla
normativa Comunitaria vigente; ii) le prestazioni degli apparecchi; iii) l'impatto sulle
prestazioni causato dall'ambiente esterno e dalle abitudini degli utenti; iv) l'efficienza dei
componenti; v) studi sperimentali su prototipi innovativi.
Figura 1: Sinistra: Misure su due frigocongelatori. Destra: misure su forno.
Il laboratorio di prova, come si vede in Fig. 2, consiste
principalmente di due camere
climatiche walk-in (indicate qui di seguito rispettivamente come “CC1” e CC2”), adibite alle
prove sugli elettrodomestici del freddo (Laboratorio ICELAB) e sui forni (Laboratorio FIRELAB).
Le camere climatiche sono rappresentate anche in Fig. 3 e 4. In quest’ultima, in particolare, è
raffigurata lo schema di una camera climatica del laboratorio ICELAB. Nel laboratorio FIRELAB,
al posto degli apparecchi del freddo, forni elettrici vengono posizionati e predisposti alle prove.
Oltre alle camere climatiche walk-in, vi è una camera climatica di recente acquisizione di
dimensioni ridotte. Questa sarà dedicata ad effettuare test su apparecchi domestici (Fig. 3). In
questo rapporto, verranno principalmente trattate la descrizione e le prove effettuate con le
due camere climatiche walk-in.
Le caratteristiche delle camere climatiche sono riportate in dettaglio in Tab. 1. Le camere
climatiche e la strumentazione specifica per effettuare le prove sui vari apparecchi domestici
sono supportate da un laboratorio elettromeccanico e da un laboratorio di taratura interno.
5
Figura 2: Laboratorio di prove visto dall’alto con le due camere climatiche CC1 e CC2
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Caratteristiche Camera climatica Camera climatica Camera climatica Weiss
tecniche delle
walk-in CC1
walk-in CC2
Umwelttechnik modello
camere
GDF
Angelantoni
WK3-1500/40
Dimensioni
2.40m x [W]
2.40m x [W]
1.475m x [W]
interne
5.20m x [L]
5.40m x [L]
1.10m x [L]
2.95m
3.55m
0.95m
climatiche
[H]
[H]
[H]
12m2 -37m3
13m2 - 46m3
1.62m2-1.54m3
Superficie e
11m2
12m2
1.56m2
volume utile
33m3
36m3
1.48m3
Temperatura di +10°C a +48°C
+0°C a +75°C
esercizio
Gradiente
-45°C a +180°C prove termiche
+1°C a +95 °C prove climatiche
< 1°C/m
<1 °C/m
n/d
30% - 90%
30% - 90%
10% a 98%
verticale
Umidità
relativa
Velocità aria
< 0.25m/s
< 0.25m/s
n/d
Potenza
18kW
43kW
Ca. 11.5 kW
1000W
1000W
4200W prove termiche
elettrica
massima
assorbita
Potenza
termica
500W per T tra +25 e +90 °C e
massima
u.r. fino 90% prove climatiche
smaltibile
Tabella 1: Caratteristiche tecniche delle tre camere climatiche utilizzate nel
laboratori ICELAB e FIRELAB
7
Figura 3: A sinistra: esempio di camera climatica walk-in. A destra: la camera
climatica a dimensioni ridotte.
Figura 4: Schema della camera climatica per la prove sugli apparecchi del freddo
(ICELAB)
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CAPACITÀ DI PROVA
Nei laboratori ICELAB e FIRELAB si ha la capacità di prova di testare simultaneamente fino a
tre elettrodomestici del freddo per camera climatica, in base al tipo di prova e alle dimensioni,
e due forni elettrici.
La maggior parte dei test condotti sugli elettrodomestici del freddo vengono effettuati in base
alla normativa Comunitaria e si focalizzano sulle prestazioni e consumi energetici degli
apparecchi. In particolare, questi consentono di stabilire:
-
Dimensioni lineari, superfici e volumi;
-
Temperature di conservazione;
-
Consumo di energia;
-
Tempo di risalita della temperatura di conservazione;
-
Prova di congelamento.
In ambito R&D, i laboratori ENEA di Ispra effettuano altre prove sugli elettrodomestici del
freddo:
-
Prove con apertura porte;
-
Prove di Reverse heat leakage, ossia misure si dispersione termica dell’involucro;
-
Pull down…
Il laboratorio può anche sviluppare procedure di misura nuove e ad hoc per esigenze di ricerca,
sviluppo.
Per i forni le prove vengono effettuate secondo normativa Comunitaria e riguardano
principalmente:
−
Dimensioni lineari, superfici e volumi;
−
Consumo di energia.
Per gli elettrodomestici del freddo, la capacità di prova risulta mediamente di 60/70 apparecchi
per undici mesi lavorativi.
Per i forni la capacità di prova verrà stabilita in base alla programmazione delle prove.
STRUMENTAZIONE
Nei laboratori ICELAB e FIRELAB, le prove sperimentali sugli apparecchi domestici del freddo e
sui forni si traducono nella misura di grandezze fisiche (i.e. temperatura, potenza elettrica
degli apparecchi) all’interno delle camere climatiche e delle caratteristiche degli apparecchi
stessi. La strumentazione utilizzata è riportata in Tab. 2.
Grandezza fisica Strumenti
NOTE
Camere climatiche walk-in
9
Grandezza fisica Strumenti
NOTE
Umidità relativa Igrometri capacitivi
Misura l’umidità relativa all’interno della
SIAP UM9730
camere climatiche.
Range dal 10% a 100% u/r
Precisione:
±2% tra 10% e 80% u/r
±3% tra 80% e 100% u/r
Velocità e
Anemometro Dantec ConfortSense Lo strumento è utilizzato per misurare
temperatura
range v da 0.05m/s fino a 5m/s
la velocità dell’aria all’interno delle
dell'aria
range T da -20°C a 80°C
camere climatiche. Le verifiche sulla
(Fig. 5)
velocità dell’aria sono fatte
periodicamente.
Misure sulle prestazioni
Temperatura
termoresistenze Pt100 Tersid
Sensori di forma e dimensioni diverse a
(Fig. 6)
seconda dell’uso specifico:
termocoppie di tipo K Tersid
misure in aria, nei pacchi test, su
termocoppie di tipo T Tersid
superfici, …
(Fig. 7)
Potenza
Convertitori di potenza elettrica
Tutti i convertitori di grandezze
elettrica
Scientific Columbus DGLogic
elettriche sono collegati con il sistema
DL5CA2
di acquisizione dati che converte il
Range di misura da 0 a 1000 W
segnale nella grandezza fisica relativa e
Precisione del ±(0.1% d.l.
ne memorizza il valore nella memoria
+0.05% f.s.).
interna.
Tensione di rete Convertitori di tensione,
Range 0-250V
ENERDIS TRIAD IEC688
Corrente
Convertitori di corrente
elettrica
Range 0-5A
ENERDIS TRIAD IEC688
Frequenza di
Convertitori di frequenza
rete
Range: 45-55Hz
ENERDIS TRIAD IEC688
Misure sulle prestazioni/tarature
Grandezze
-Multimetro digitale hp 3458A
Il Multimetro digitale viene utilizzato
elettriche:
-Calibratore multifunzione Fluke
anche nella taratura dei convertitori di
Tensione,
5500A:
grandezze elettriche.
Corrente,
Il calibratore è utilizzato, come
frequenza, …
standard primario, per la calibrazione e
la taratura della strumentazione di
laboratorio, in particolare, per la
10
Grandezza fisica Strumenti
NOTE
verifica del sistema di acquisizione dati.
Tarature
Temperatura
Bagno termostatato Heto Mod.
taratura delle
CBN 8-30 e termostato Mod. HMT- termoresistenze/termocoppie
200
Forno termostatato Isotech Mod.
taratura delle
Gemini 550 B
termoresistenze/termocoppie
range T da 35°C a 550°C
stabilità ±0.05°C
Termoresistenza campione Tersid Termoresistenza campione è utilizzata,
e termometro digitale Labfacility
come standard primario, nel laboratorio
Range di taratura da -30°C a
tarature per le tarature dei sensori di
300°C
temperatura utilizzate per le prove:
Risoluzione termometro 0.01°C
termoresistenze e termocoppie.
Termocamera FLIR System
La termocamera permette di ottenere
ThermCAM PM 695
immagini termiche delle superfici
(Fig. 8)
riprese. Nel laboratorio viene utilizzata
per analisi termiche non intrusiva degli
apparecchi in prova.
Dimensioni lineari e masse
Dimensioni
Calibri digitali Mauser
Sono utilizzate per misurare le
lineari
grandezze dimensionali degli
apparecchi in prova (lineari, per
calcolare superfici e volumi), di
simulatori di carico (mattoni e pacchi
test), cilindretti di rame ecc.
Massa
Pesa ALSEP
E’ utilizzata per determinare il peso dei
mattoni (prove forni) e dei pacchi test
(prove elettrodomestici freddo),
cilindretti di rame ecc.
Tabella 2: Grandezza fisiche misurate nei laboratori ICELAB, FIRELAB e relativi
strumenti
11
Figura 5: Misura della velocità dell’aria (anemometro) e temperatura nella camera
climatica
Figura 6: Termoresistenze all’interno dell’elettrodomestico del freddo
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Figura 7: Preparazione di una prova sui forni elettrici: disposizione delle termocoppie
13
Figura 8: Prova sperimentale di dispersione termica dell’elettrodomestico del freddo:
utilizzo della termocamera
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LABORATORIO TARATURE
Scopo del laboratorio tarature è la gestione, la manutenzione e la verifica periodica di tutti i
sensori e di tutta la strumentazione utilizzata nei laboratori di prova al fine di garantire che
tutte le misurazioni siano eseguite con il grado di accuratezza richiesto.
Alcuni strumenti vengono verificati e tarati periodicamente presso laboratori esterni certificati o
presso
i
produttori
degli
strumenti.
È
il
caso
del
calibratore
multifunzione,
della
termoresistenza campione, degli igrometri capacitivi e degli anemometri.
I sensori di temperatura (termocoppie e termoresistenze), i convertitori di potenza elettrica, di
tensione, di corrente e gli acquisitori dati vengono verificati all’interno del laboratorio, in base
alla normativa Comunitaria di riferimento, seguendo i protocolli elaborati dai Laboratori ENEA
Ispra.
Fanno parte del laboratorio tarature anche strumenti utilizzati come standard primari. Ossia il
calibratore multifunzione per le grandezze elettriche (i.e. tensione, corrente, potenza) e
la
termoresistenza campione per la temperatura.
Il laboratorio dispone di un bagno e di un forno termostato (Fig. 9) per la taratura dei sensori
di temperatura. Di un multimetro digitale per la taratura dei convertitori di grandezze
elettriche che viene tarato periodicamente presso laboratori certificati SIT.
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Figura 9: calibrazione di termoresistenze e termocoppie. Sinistra: forno termostatico.
Destra: bagno termostatico.
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INCERTEZZE DI MISURA
Le incertezze sulle grandezze fisiche misurate ( i.e. temperatura, umidità relativa, potenza
elettrica) sono riassunte nella Tab. 3 sottostante. Queste stime vengono calcolate
i)
considerando gli errori di misura delle variabili da cui le grandezze fisiche dipendono e ii)
metodi per la propagazione degli errori.
Grandezza
Range
Incertezza
di misura
Norma
Norma
UNI-EN-
EN 50304
ISO 15502
TEMPERATURA
± 0.5°C
Termoresistenza PT100 1/10 DIN
-30÷100°C
± 0.11°C
Termoresistenza PT100 1/5 DIN
-30÷100°C
± 0.16°C
Termocoppia tipo K
20÷300°C
± 0.57°C
Termocoppia tipo T
20÷300°C
± 0.41°C
UMIDITA’
± 1.5°C
± 0.3°C
espresso
come punto
di rugiada
Misura in corrente
20÷100%
± 0.92% Ur
a 25°C
50%Ur
±1.2%Ur
Misura in tensione
20÷100%
± 1.11% Ur
a 25°C
50%Ur
±1.2%Ur
POTENZA ELETTRICA
Con convertitore (out 0-1mA) e
0÷1000W
± 0.82W
0÷1000W
± 0.68W
± 1W
± 10W
± 1%
±
misura in tensione
Con convertitore (out 4-20mA) e
misura in corrente
ENERGIA ELETTRICA
GIORNALIERA
1.5%
10Wh
Con convertitore (out 0-1mA) e
± 0.48Wh
misura in tensione
Con convertitore (out 4-20mA) e
± 0.48Wh
misura in corrente
TENSIONE ELETTRICA
Con convertitore (out 4-20mA) e
± 0.5%
200÷250V
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± 0.2V
a 230V ±
o
misura in corrente
1.2V
CORRENTE ELETTRICA
Con convertitore (out 4-20mA) e
0÷5A
± 3.1mA
misura in corrente
MASSA
Con bilancia digitale
± 3g
0÷4000g
< 0.3g
TEMPO
± 5s
Con clock PC
<<± 1s
Tabella 3: Stime degli errori di misura confrontate con i valori previsti dalla
normativa di riferimento.
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SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI
Una rappresentazione dello schema del sistema acquisizione dati è fornito dalle Fig. 10 e 11
(acquisizione dati per laboratorio ICELAB).
Per ciascuna camera climatica vi sono due/tre postazioni di misura (i.e. in Fig. 10 sono
rappresentati le postazioni di tre frigocongelatori). Per ogni postazione le rilevazioni vengono
effettuate con un acquisitore modello hp34970A dotato di
schede multiplexer modello
hp34901A (tre per ogni acquisitore).
Si può accedere in remoto a tutti gli acquisitore dati (interfaccia GPIB)
grazie al fatto che
questi sono collegati alla rete locale LAN mediante un dispositivo di rete, gateway, GPIB/LAN
modello hp5810A. La rilevazione delle misure e la programmazione degli acquisitori viene
quindi gestita attraverso la rete locale con il software Agilent Benchlink. Quest'ultimo permette
il controllo di ciascun acquisitore in modo indipendente.
Figura 10: Schema del sistema di acquisizione dati del laboratorio ICELAB
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Figura 11: Particolari del sistema di acquisizione dati. In alto a sinistra: calibratore e
multimetro per taratura. In alto a destra: acquisitore. In basso: il sistema di
acquisizione completo della camera climatica.
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NORME E PROCEDURE
Le norme e procedure utilizzate all'interno del laboratorio si inseriscono nel quadro legislativo
europeo ed italiano. Queste sono riassunte nella Tab 4. sottostante.
NORME
CONTENUTO
Norme generali
UNI-CEI-EN ISO/IEC 17025
Requisiti generali per la competenza dei laboratori di prova e
(2000)
taratura
UNI ISO 5725-1 (2004)
Accuratezza (esattezza e precisione) dei risultati e dei metodi
di misurazione.
Parte 1: Principi generali e definizioni
UNI 10127 (1992)
Guida per la definizione degli intervalli di taratura di strumenti
sperimentale
di misurazioni.
Parte 1: Criteri generali
UNI 10127 (1992)
Guida per la definizione degli intervalli di taratura di strumenti
sperimentale
di misurazioni.
Parte 2: Intervalli consigliati di strumenti per misurazioni di
dimensioni lineari, angolari e geometriche
UNI 10824-1 (2000)
Prove non distruttive. Termografia all'infrarosso. Termini e
definizioni
Norme di riferimento elettrodomestici del freddo
UNI-EN-153 (2006)
Metodi di misurazione del consumo di energia elettrica e delle
caratteristiche
associate
dei
frigoriferi,
conservatori
e
congelatori di utilizzo domestico e loro combinazioni
UNI-EN-ISO-15502 (2006)
Apparecchi di refrigerazione per uso domestico Caratteristiche
e metodi di prova
UNI-EN-ISO-23953-1
Mobili refrigerati per esposizione e vendita.
(2006)
Parte 1: Vocabolario
UNI-EN-ISO-23953-2
Mobili refrigerati per esposizione e vendita.
(2006)
Parte 2: Classificazione, requisiti e condizioni di prova
Norme di riferimento forni elettrici
CEI EN 50304 (2003)
Forni elettrici per uso domestico - Metodi per la misura del
consumo di energia
CEI EN 60350 (2000)
Cucine, fornelli, forni e apparecchi per grigliare elettrici per
uso domestico Metodi per la misura delle prestazioni
CEI EN 60335-2-6
Sicurezza degli apparecchi elettrici d’uso domestico e similare
Parte 2: Norme particolari per cucine, fornelli, forni ed
apparecchi similari per uso domestico
CEI 107-32
Cucine e forni elettrici per uso domestico e similare Verifica
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NORME
CONTENUTO
delle prestazioni
Procedure laboratori
PI-IC-7.5A
Prove su campione in camera climatica
PI-IC-6.3A
Gestione della strumentazione di laboratorio
PI-IC-6.3C
Procedura per taratura di acquisitori dati
PI-IC-6.3B
Procedura per taratura termoresistenze e termocoppie
PI-IC-6.3D
Procedura per taratura di convertitori di potenza attiva
Tabella 4: Le norme e procedure utilizzate all'interno dei laboratori
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STIME DEGLI IMPEGNI IN TERMINI DI ORE/UOMO E DI COSTI
Qui di seguito vengono riepilogate le prove prestazionali secondo normativa, in base alle quali
si fornisce una stima della loro durata temporale, dell'impegno richiesto dal personale ENEA e
del loro costo.
Prova
Durata della
Impegno di
prova
Personale
Costo
indicativo
prova
Apparecchi di refrigerazione di uso domestico
Determinazione delle dimensioni lineari, dei
volumi e delle superfici
Prova delle Temperature di Conservazione
(due Temperature)
Prova del Consumo di Energia
Prova di Risalita della Temperatura di
Conservazione
Prova di Congelamento
GG. 1
h 5.0
€ 400
GG. 8
h 20.0
€ 1500
GG. 10
h 25.0
€ 1800
GG. 4
h 10.0
€ 800
GG. 4
h 10.0
€ 800
GG. 1
h 5.0
€ 500
GG. 1
h 3.0
€ 300
Forni
Prova del Consumo di Energia
Determinazione delle dimensioni lineari, dei
volumi e delle superfici
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